热力学第二定律的微观解释能源和可持续发展.ppt

高中物理选修3-3课件 5.6.热力学第二定律的微观解释 能源和可持续发展 高中物理选修3-3课件 高中物理选修3-3课件 高中物理选修3-3课件 高中物理选修3-3课件 一、热力学第二定律的微观解释 1有序和无序 宏观态和微观态 (1)有序：一个系统的个体按某种确定的 ，有顺序地排列称为有序 (2)无序：一个系统的个体分布没有确定的 ，分布是随意的，称为无序 (3)宏观态：一个系统整体所处的状态就叫做 宏观态 (4)微观态：宏观态系统内 的不同分布 状态就叫做微观态 规则规则 规则规则 对应对应 高中物理选修3-3课件 2气体向真空的扩散 一切自然过程总是沿着分子热运动的 增 大的方向进行 3熵 (1)定义式：Skln，式中S表示熵，k表示 ，表示微观态的 (2)意义：表示系统内分子运动 的量度 (3)熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统 的总熵不会 无序性 玻耳兹兹曼常量 数目 无序性 减小 高中物理选修3-3课件 二、能源和可持续发展 1能量耗散与品质降低 (1)能量耗散 能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量 转化为 ，流散到环境中无法重新收集起来加 以利用的现象 能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中 的自发变化过程具有 内能 方向性 高中物理选修3-3课件 (2)能量品质降低 各种形式的能量向内能的转化，是微观领域 内由无序程度较小的状态向无序程度较大的状 态转化，是能够自动发生、全额发生的 内能向机械能的转化过程，由热力学第二定 律知道，这种转化是有条件的，即环境中必须 存在着温度差，而且内能不能全额转化为机械 能 因此，从可被利用的价值来看，内能相对于 机械能、电能等，是一种低品质的能量 高中物理选修3-3课件 2能源与人类社会发展 (1)能源是社会存在与发展永远不可或缺的必 需品，是国民经济运行的物质基础，它与材料 、信息构成现代社会的三大支柱 (2)能源科技的每一次突破，都带来了生产力 的巨大飞跃和社会的进步 3能源与环境 能源种类：煤、 、天然气等常规能源 环境问题：温室效应、 、光化学烟雾 石油 酸雨 高中物理选修3-3课件 4开发新能源 (1)化石能源的短缺和利用常规能源带来的环 境污染，使得新能源的开发成为当务之急 (2)新能源主要有下列几种： 太阳能 . 风能 水(河流、潮汐)能 太阳能、风能、水能是清洁能源 生物质质能 高中物理选修3-3课件 高中物理选修3-3课件 一、热力学第二定律的微观意义的理解 1有序、无序的含义 “无序”意味着各处一样、平均、没有差别， 而有序则正好相 反 2熵的含义 “有序”和“无序”是相对而言的，是从有序 程度上讲的，熵是宏观态无序程度的量度，熵 越高，意味着宏观态所对应的微观态数目越多 ，即越无序，熵越低即越有序 高中物理选修3-3课件 3热力学第二定律的微观解释 高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的 热运动，但是高温物体中分子热运动的平均速 率要大于低温物体所以在高温物体分子与低 温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运动 的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升 高了而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓 ，即高温物体的温度降低了所以从宏观热现 象角度来看，热传递具有方向性，总是从高温 物体传给低温物体换一种角度看，初始我们 根据温度的高低来区分两个物体，而终了状态 两个物体上的温度处处相同，无法区别，我们 就说系统的无序程度增加了 高中物理选修3-3课件 同理可知，在通过做功使系统内能增加的 过程中，自然过程是大量分子从有序运动状 态向无序运动状态转化的过程 高中物理选修3-3课件 4热力学第二定律的微观意义 第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观的自然 过程都只能在一个方向上发生，而不会可逆地 在相反的方向上出现，它指出在能量得以平衡 的众多过程中，哪些可能发生，哪些不可能发 生自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不 可逆的，宏观自发过程的这种方向性(熵增加的 方向)，也就成为时间的方向性所以，“熵” 又常常被称为“时间箭头” 高中物理选修3-3课件 关于热力学第二定律的微观意义，下 列说法正确的是( ) A大量分子无规则的热运动能够自动转变为 有序运动 B热传递的自然过程是大量分子从有序运动 状态向无序运动状态转化的过程 C热传递的自然过程是大量分子从无序程度 小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的 过程 D一切自然过程总是沿着分子热运动的无序 性增大的方向进行 高中物理选修3-3课件 解析： 分子热运动是大量分子的无规则运动 ，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态 ，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热 运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不 是变成了有序，热传递的自然过程从微观上讲 就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序 程度大的运动状态转化的过程，故选C、D. 答案： CD 高中物理选修3-3课件 二、能源的分类与应用 能源分 类方法 能源分 类名称 特点举例 按形成 或转换 特点分 一次 能源 自然形成，未经 加工 太阳能、风能、地热能、 核能、潮汐能 二次 能源 由一次能源经加 工转换而成 焦炭、木炭、蒸汽、液化 气、酒精、汽油、电能 按利用 技术分 常规 能源 已大规模正常使 用 煤、石油、天然气、水能 新能源 正在开发，或有 新的利用方式 太阳能、核能、地热能、 海洋能、沼气、风能 高中物理选修3-3课件 能源分 类方法 能源分 类名称 特点举例 按可否 再生分 可再生能源 可循环使用、不 断补充 水能、风能、生物 质能、地热能 不可再生 能源 短期内无法转换 获得 煤、石油、天然气 、核燃料 按对环 境污染 情况分 清洁能源 对环境基本上没 有污染 太阳能、海洋能、 风能、水能 污染能源会严重污染环境 化石燃料(煤、石油 、天然气) 高中物理选修3-3课件 【特别提醒】 大量能量的使用不会使能 的总量减少，却会导致能量品质的降低，将 能量从高度有用的形式降为不大可用的形式 ，所以要节约能源 高中物理选修3-3课件 以下说法正确的是( ) A煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追 溯到太阳能 B汽油是一种清洁能源 C水能是可再生能源 D煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不 竭的 高中物理选修3-3课件 解析： 煤、石油、天然气等是动植物转化成 的，其来源可追溯到太阳能，A对；汽油燃烧会 引起一些化合物的产生，导致有毒气体的生成 ，B错；水源是可再生能源，C对；煤、石油等 存量是有限的，是不可再生能源，D错 答案： AC 高中物理选修3-3课件 教材资料分析 思考与讨论教材P67 下面这些过程中，能量的“归宿”在哪里？ 流水带动水磨做功，什么能转化成了什么能？ 流水的机械能最终将转化为什么能？传说中， 三国时代的猛张飞站在当阳桥前一声吼，“喝 断了桥梁水倒流”，吼过之后静下来，他的声 能最终转化为什么能？ 日光灯把教室照得如同白昼，关灯后满屋漆黑 原先的光能最终将转化为什么能？ 高中物理选修3-3课件 把电炉接入电路，电能表转得飞快，表明消耗 着电能这些电能最终将转化为什么能？ 燃烧过程中燃料的化学能要释放出来这些化 学能最终将转化为什么能？ 【点拨】 流水带动带动 水磨做功，水的动动能转转 化为为水磨的机械能，最后转转化为为内能声能转转 化为为水的内能日光灯原先的光能转转化为为内能 电电炉接入电电路，电电能最后转转化为为内能燃料 燃烧释烧释 放出来的能量最终转终转 化为为内能. 高中物理选修3-3课件 高中物理选修3-3课件 以一副扑克牌为例，下列关于有序和 无序，宏观态和微观态的认识中不正确的是( ) A按黑桃、红桃、草花、方块的顺序，而且 从大到小将扑克牌排列起来，扑克牌这时是有 序的 B将扑克牌按偶数和奇数分成两部分，扑克 牌是无序的，每部分内部是有序的 C一副扑克牌，这就是一个宏观态，将牌洗 动一次就是一个微观态 高中物理选修3-3课件 D一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这 是一个宏观态，它是一副扑克牌对应的一个微 观态 E一副扑克牌按偶数和奇数分成两部分，这 是一个宏观态，从偶数部分抽出一张插入到奇 数部分，它是该宏观态对应的一个微观态 解析： A中扑克牌的排列是有确定规则规则 的， 是有序的，A正确 B中将扑克牌按奇、偶分成两部分，是有确定 规规律的，是有序的，每部分内部排列是没有规规 则则的，是无序的，B不正确 高中物理选修3-3课件 一副扑克牌是一个系统统，是一个宏观态观态 洗 动动一次，系统统内部排列不同，是这这副扑克牌宏 观态对应观态对应 的一个微观态观态 ，C正确 将一副扑克牌分成奇、偶两部分，构成一个系 统统，是一个宏观态观态 ，同时时，它又是一副扑克的 一种排列形式，是一副扑克牌这这一宏观态对应观态对应 的一个微观态观态 ，D正确 从偶数部分中抽出一张张插入奇数部分中，不再 对应对应 于按奇偶分成两部分的扑克牌这这一宏观态观态 ，也不再是该该宏观态对应观态对应 的一个微观态观态 ，可以 当做是一副扑克牌这这一宏观态对应观态对应 的微观态观态 ， E错误错误 答案： BE 高中物理选修3-3课件 【反思总结】 热力学第二定律是一个统计规 律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的 状态发展，而熵值较大代表着较多无序，所以 自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发 展热力学第二定律的适用范围： (1)热力学第二定律是一个统计规律，只对有 大量分子所组成的系统才适用； (2)不能把热力学第二定律推广到浩瀚的宇宙 中去，因为宇宙不是一个孤立的系统 高中物理选修3-3课件 【跟踪发散】 11：关于气体向真空中扩散 的规律的叙述中正确的是( ) A气体分子数越少，扩散到真空中的分子全 部回到原状态的可能性越大 B气体分子数越多，扩散到真空中的分子全 部回到原状态的可能性越大 C扩散到真空中的分子在整个容器中分布越 均匀，其宏观态对应的微观态数目越大 D气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运 动的无序性增大的方向进行 高中物理选修3-3课件 解析： 气体分子向真空中扩散时，分子数越 少，分子全部分布于原状态下即全部回到原状 态的概率越大；分子数越多，分子全部分布于 原状态下即全部回到原状态的概率越小，则A正 确、B错误扩散到真空中的分子在整个容器中 均匀分布的概率最大，即其宏观态对应的微观 态最多，并且这一宏观态的无序性最强，C、D 正确 答案： ACD 高中物理选修3-3课件 关于能源的开发和利用，下列观点正 确的是( ) A无节制地利用能源，是一种盲目的短期行 为 B根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用 之不竭的 C能源的开发和利用，必须同时加强对环境 的保护 D不断开发新能源，是缓解能源危机的主要 途径 高中物理选修3-3课件 解析： 答案： ACD 高中物理选修3-3课件 【跟踪发散】 21：下列供热方式最有利于 环境保护的是( ) A用煤做燃料供热 B用石油做燃料供热 C用天然气或煤气做燃料供热 D用太阳能灶供热 高中物理选修3-3课件 解析： 煤、石油、天然气等燃料的利用，使 人类获得大量的内能但由于这些燃料中含有 杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含粉尘、 一氧化碳、二氧化硫等物质污染了大气而太 阳能是一种无污染的能源，应大力推广，故答 案应选D. 答案： D 高中物理选修3-3课件 高中物理选修3-3课件 1下面关于热力学第二定律微观意义的说法 正确的是( ) A从微观的角度看，热力学第二定律是一个 统计规律 B一切自然过程总是沿着分子热运动无序性 减小的方向进行 C有的自然过程沿着分子热运动无序性增大 的方向进行，有的自然过程沿着分子热运动无 序性减小的方向进行 D在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵 不会减小 高中物理选修3-3课件 解析： 系统的热力学过程就是大量分子无序 运动状态的变化，从微观角度看，热力学第二 定律是一个统计规律，所以A对热力学第二定 律的微观意义是“一切自然过过程总总是沿着分子 热热运动动无序性增大的方向进进行”，所以B、C均 错错D是在引入熵熵之后对热对热 力学第二定律微观观 意义义的描述，D对对 答案： AD 高中物理选修3-3课件 2下列对能量耗散的理解正确的有( ) A能量耗散说明能量在不断减少 B能量耗散遵守能量守恒定律 C能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以 凭空消失 D能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观 过程具有方向性 高中物理选修3-3课件 解析： 在发生能量转化的宏观过程中，其他 形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内 能，无法再回收利用，这种现象叫能量耗散 能量耗散并不违反能量守恒定律，宇宙的能量 既没有减少，也没有消失，它只从能量角度反 映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错 ，B、D对 答案： BD 高中物理选修3-3课件 3导致大气中CO2浓度增加的主要原因是( ) A大量植物和生物物种灭绝 B大量燃料如石油、煤炭、天然气等的燃烧 C人口剧增，呼出的二氧化碳增多 D自然因素破坏了地球环境生态平衡 解析： 从生活实际实际 出发发，应该应该 知道现现代社 会的工业业、生活等会消耗大量的煤、石油、天 然气等化石燃料，它们们在燃烧过烧过 程中会产产生大 量的二氧化碳，这这些二氧化碳直接排入大气中 ，导导致大气二氧化碳浓浓度增加 答案： B 高中物理选修3-3课件 4能源利用的过程实质上是( ) A能量的消失过程 B能量的创造过程 C能量的转化和转移过程 D能量的转化、传递并且逐渐消失的过程 解析： 能源利用的过过程是做功或热传递热传递 的 过过程，前者是能量的转转化，后者是能量的转转移 答案： C 高中物理选修3-3课件 5关于能源的开发和利用，下列观点不正确 的是( ) A能源是有限的，无节制的利用能源，是一 种盲目的短期行为 B根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用 之不竭的 C能源的开发和利用，必须同时加强对环境 保护 D不断开发新能源，是缓解能源危机、加强 环境保护的主要途径 高中物理选修3-3课件 解析： 化石能源的资源是有限的，因此 要开发和利用新能源，同时加强环境保护， 故选B. 答案： B 高中物理选修3-3课件 6煤、石油、天然气和生物质能资源的能量 形成和转换利用过程基本上是( ) A太阳能辐射化学能热能 B太阳能辐射机械能电能 C生物质能电能化学能热能 D太阳能辐射机械能化学能 解析： 太阳能辐辐射转转化成了煤、石油、天 然气等的化学能，在对这对这 些能源利用的过过程中 ，又把它们们的化学能转转化成了热热能 答案： A 高中物理选修3-3课件 7下列哪些现象属于能量耗散( ) A利用水流能发电转化为电能 B电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能 C电池的化学能转化为电能 D火炉把房子烤暖 高中物